Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Регенеративный теплообменник , или более обычно представляет собой регенератор , представляет собой тип теплообменника , где тепло от горячей жидкости периодически хранится в среде аккумулировани тепла до его передачи к холодной жидкости. Для этого горячая текучая среда приводится в контакт с теплонакопителем, затем текучая среда вытесняется холодной текучей средой, которая поглощает тепло. [1]

В регенеративных теплообменниках жидкость по обе стороны от теплообменника может быть одной и той же. Жидкость может пройти этап внешней обработки, а затем она течет обратно через теплообменник в обратном направлении для дальнейшей обработки. Обычно приложение использует этот процесс циклически или повторно.

Регенеративный нагрев был одним из самых важных технологий , разработанных в ходе промышленной революции , когда он был использован в горячем дутье процесса на доменных печах , [2] Позднее он был использован в стеклах и стал, чтобы повысить эффективность работы мартеновских печей и в котлах высокого давления, а также в химической и других сферах, где это актуально и сегодня.

История [ править ]

Доменная печь (слева) и три печи Каупера (справа), используемые для предварительного нагрева воздуха, вдуваемого в печь.

Первый регенератор был изобретен преподобным Робертом Стирлингом в 1816 году, а также входит в состав некоторых примеров его двигателя Стирлинга . В простейших двигателях Стирлинга, включая большинство моделей, стенки цилиндра и вытеснитель используются в качестве элементарного регенератора, который проще и дешевле построить, но гораздо менее эффективен.

Более поздние приложения включали печи доменный процесс , известный как горячего дутья и открытой подовой печи также называется Сименс регенеративной печи (который был использован для изготовления стекла), где горячие выхлопные газы от сжигания пропускают через огнеупоров регенераторов, которые, таким образом , нагретых. Затем поток меняется на противоположный, так что нагретые кирпичи предварительно нагревают топливо. [3]

Эдвард Альфред Каупер применил принцип регенерации к доменным печам в форме «печи Каупера», запатентованной в 1857 году. [4] Это почти всегда используется в доменных печах и по сей день. [3] [5]

Пять последовательно включенных регенеративных теплообменников Каупера.

Типы регенераторов [ править ]

Регенераторы передают тепло от одной технологической жидкости к промежуточной твердой теплонакопительной среде, затем эта среда обменивается теплом со вторым потоком технологической жидкости. Два потока либо разделены во времени, попеременно циркулируя через накопитель, либо разделены в пространстве, и теплоноситель перемещается между двумя потоками.

В роторных регенераторах или тепловых колесах«Матрица» аккумулирования тепла в форме колеса или барабана, которая непрерывно вращается через два встречных потока жидкости. Таким образом, два потока в основном разделены. Только один поток проходит через каждую секцию матрицы за раз; однако в ходе вращения оба потока в конечном итоге последовательно проходят через все секции матрицы. Теплоаккумулирующая среда может быть относительно мелкозернистым набором металлических пластин или проволочной сетки, сделанных из какого-либо стойкого сплава или покрытых для защиты от химического воздействия технологических жидкостей, или изготовленных из керамики в условиях высоких температур. В каждой единице объема роторного регенератора может быть обеспечена большая площадь теплообмена по сравнению с кожухотрубным теплообменником - до 1000 квадратных футов поверхности может содержаться в каждом кубическом футе матрицы регенератора,по сравнению с примерно 30 квадратными футами в каждом кубическом футе кожухотрубного теплообменника.[6]

Каждая часть матрицы будет почти изотермической , поскольку вращение перпендикулярно градиенту температуры и направлению потока, а не сквозь них. Два потока жидкости текут в противотоке. Температуры жидкости меняются по проходному сечению; однако температура местного потока не зависит от времени. Уплотнения между двумя потоками не идеальны, поэтому может возникнуть перекрестное загрязнение. Допустимый уровень давления роторного регенератора относительно низок по сравнению с теплообменниками.

Патентные чертежи роторного регенератора, иллюстрирующие барабанную матрицу и уплотнения, предотвращающие смешивание потоков.
LjungströmРоторный регенератор.

В регенераторе с фиксированной матрицей один поток жидкости имеет циклический обратимый поток; говорят, что он течет «противотоком». Этот регенератор может быть частью бесклапанной системы, такой как двигатель Стирлинга.. В другой конфигурации жидкость направляется через клапаны к разным матрицам в чередующиеся рабочие периоды, что приводит к изменению температуры на выходе со временем. Например, в доменной печи может быть несколько «печей» или «шашек», заполненных огнеупорным кирпичом. Горячий газ из печи пропускается через кирпичную кладку в течение некоторого промежутка времени, скажем, одного часа, пока кирпич не нагреется до высокой температуры. Затем срабатывают клапаны и переключают поступающий холодный воздух через кирпич, возвращая тепло для использования в печи. Практические установки будут иметь несколько печей и расположение клапанов для постепенной передачи потока между «горячей» печью и соседней «холодной» печью, так что колебания температуры выходящего воздуха уменьшаются. [7]

Другой тип регенератора называется регенеративным теплообменником на микроуровне . Он имеет многослойную решетчатую структуру, в которой каждый слой смещен от соседнего слоя на половину ячейки, имеющей отверстие по обеим осям, перпендикулярным оси потока. Каждый слой представляет собой композитную структуру из двух подслоев, один из материала с высокой теплопроводностью, а другой из материала с низкой теплопроводностью. Когда горячая текучая среда протекает через ячейку, тепло от текучей среды передается в лунки ячейки и сохраняется там. Когда поток жидкости меняет направление, тепло передается от стенок ячеек обратно к жидкости.

Третий тип регенератора называется регенератором « Ротемюле ». Этот тип имеет неподвижную матрицу в форме диска, а потоки жидкости проходят через вращающиеся колпаки. Rothemuhle регенератор используется в качестве воздухоподогревателя в некоторых электростанций. Тепловая конструкция этого регенератора такая же, как и у других типов регенераторов. [ необходима цитата ]

Биология [ править ]

Когда мы дышим, мы используем наш нос и горло как регенеративный теплообменник. Поступающий более прохладный воздух нагревается и достигает легких в виде теплого воздуха. На обратном пути этот нагретый воздух отдает большую часть своего тепла по сторонам носовых проходов, так что эти проходы затем готовы согреть следующую порцию поступающего воздуха. кость внутри носа, называемая носовыми раковинами, для увеличения площади поверхности для теплообмена. [ необходима цитата ]

Криогеника [ править ]

Рекуперативные теплообменники изготовлены из материалов с высокой объемной теплоемкостью и низкой теплопроводностью в продольном (поток) направлении. При криогенных (очень низких) температурах около 20 К удельная теплоемкость металлов мала, поэтому регенератор должен быть больше для данной тепловой нагрузки. [ необходима цитата ]

Преимущества регенераторов [ править ]

Преимущество регенератора перед рекуперативным (противоточным) теплообменником состоит в том, что он имеет гораздо большую площадь поверхности для данного объема, что обеспечивает уменьшенный объем теплообменника при заданной плотности энергии, эффективности и падении давления. Это делает регенератор более экономичным с точки зрения материалов и производства по сравнению с эквивалентным рекуператором. [ необходима цитата ]

Конструкция входных и выходных коллекторов, используемых для распределения горячих и холодных жидкостей в матрице, намного проще в противоточных регенераторах, чем в рекуператорах. Причина этого заключается в том, что оба потока текут в разных секциях роторного регенератора, и одна жидкость входит и выходит из одной матрицы за раз в регенераторе с фиксированной матрицей. Кроме того, секторы потока для горячих и холодных текучих сред в ротационных регенераторах могут быть спроектированы для оптимизации падения давления в текучих средах. Поверхности матрицы регенераторов также обладают самоочищающимися характеристиками, что снижает загрязнение и коррозию со стороны жидкости. Наконец, такие свойства, как небольшая поверхностная плотность и противоточное расположение регенераторов, делают его идеальным для применения в теплообменных системах газ-газ, требующих эффективности, превышающей 85%. Коэффициент теплопередачи у газов намного ниже, чем у жидкостей,таким образом, огромная площадь поверхности регенератора значительно увеличивает теплопередачу.[ необходима цитата ]

Недостатки регенераторов [ править ]

Основным недостатком роторных регенераторов и регенераторов с фиксированной матрицей является то, что всегда происходит некоторое перемешивание потоков текучей среды, и они не могут быть полностью разделены. Происходит неизбежный перенос небольшой части одного потока жидкости в другой. Во роторном регенераторе уносимая жидкость улавливается внутри радиального уплотнения и в матрице, а в регенераторе с фиксированной матрицей уносимая жидкость - это жидкость, которая остается в пустотном объеме матрицы. Эта небольшая фракция будет смешиваться с другим потоком в следующем полупериоде. Следовательно, роторные регенераторы и регенераторы с фиксированной матрицей используются только тогда, когда допустимо смешивание двух потоков текучей среды. Смешанный поток обычно используется для передачи тепла и / или энергии из газа в газ.и реже встречается в жидкостях или жидкостях с изменяющейся фазой, поскольку загрязнение жидкости часто запрещено потоками жидкости.[ необходима цитата ]

Постоянный нагрев и охлаждение, происходящие в регенеративных теплообменниках, создают большую нагрузку на компоненты теплообменника, что может вызвать растрескивание или разрушение материалов. [ необходима цитата ]

См. Также [ править ]

  • Противоточный обмен
  • Экономайзер
  • Теплообменник
  • Горячий взрыв
  • Рекуператор
  • опреснение - на некоторых установках термического опреснения используются регенеративные теплообменники
  • Тепловое колесо , регенеративный теплообменник, в котором нагретая среда непрерывно вращается между двумя газовыми потоками.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Регенеративные теплообменники
  2. ^ Ландес, Дэвид С. (1969). Свободный Прометей: технологические изменения и промышленное развитие в Западной Европе с 1750 года по настоящее время . Кембридж, Нью-Йорк: Пресс-синдикат Кембриджского университета. п. 92. ISBN 0-521-09418-6.
  3. ^ a b В. К. Гейл, Британская металлургия (Дэвид и Чарльз, Ньютон Эббот, 1967), 98–100.
  4. ^ Беннет Вудкрофт, «Хронологический указатель патентов, на которые поданы и выданные патенты, за 1857 год», патент № 1404, 19 мая 1857 г. https://books.google.com/books?id=zXMyAQAAIAAJ&printsec=frontcover&dq=index+of + патенты & hl = en & sa = X & ei = A6cpU7vGKM3xhQef5ICIAg & redir_esc = y # v = snippet & q = edward% 20alfred% 20cowper & f = false
  5. ^ CK Hyde, Технологические изменения и британская металлургия 1700–1870 (Princeton University Press, 1977), 200–1.
  6. ^ Джон Дж. МакКетта младший (редактор), Методы проектирования теплопередачи , CRC Press, 1991, ISBN 0849306655 , страницы 101-103 
  7. ^ Рамеш К. Шах, Душан П. Секулич Основы проектирования теплообменников , John Wiley & Sons, 2003 ISBN 0471321710 , стр. 
  • http://www.techbriefs.com/content/view/61/34/
  • https://books.google.com/books?id=beSXNAZblWQC&pg=PA8&dq=fluid+heat+exchangers&sig=v3NF11puSFyQiUfPV2VbWjOEHik#PPA51,M1